©2011г. Н..Иногамов, доктор физ.-мат. наук*; С.И.Анисимов, доктор физ.-мат. наук, член-корр. РАН*; В.В.Жаховский, канд. физ.-мат. наук**, ***; А.Ю.Фаенов, доктор физ.-мат. наук**, ****; Ю.В.Петров, доктор физ.-мат. наук*; В.А.Хохлов, канд. физ.-мат. наук*; В.Е.Фортов, доктор физ.-мат. наук, академик РАН**; И.Ю.Скобелев, канд. физ.-мат. наук**; Ю.Като*****; Т.А.Пикуз, канд. физ.-мат. наук**, ****; В.В.Шепелев, канд. физ.-мат. наук******; Ю.Фукуда****; М.Танака****; М.Кишимото***; М.Ишино****; М.Нишикино****; М.Кандо****; Т.Кавачи****; М.Нагасоно*******; H.Охаши*******, ********; М.Ябаши*******, ********; К.Тано*******; Ю.Сенда********; Т.Тогаши*******, ********; Т.Ишикава*******
******** Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН, г. Черноголовка, Московская обл.
******** Объединенный институт высоких температур РАН, Москва
******** Университет Южной Флориды, Тампа, Флорида, США
******** Канзайский институт оптических исследований, Японское агентство атомной энергии, Киото, Япония
******** Высшая школа создания новых отраслей оптической индустрии, Хамамацу, Сидзуоки, Япония
******** Институт автоматизации проектирования РАН, Москва
******** ИКСФЕЛ РИКЕН СПринг-8, Хиого, Япония
******** Японский исследовательский институт синхротронного излучения, СПринг-8, Хиого, Япония
******** Е-mail: nailinogamov@googlemail.com
Проведено экспериментальное и теоретическое исследование абляции твердого диэлектрика с широкой запрещенной зоной (LIF) под действием ультракоротких лазерных импульсов ультрафиолетового диапазона, полученных в лазере на свободных электронах (длительность импульса τL=0 3 пс, энергия фотона ħωL= 20,2 эВ), и мягкого рентгеновского диапазона, полученных в лазере на плазме серебра (τL= 7 пс, ħωL= 89,3 эВ). Проведено сравнение результатов, полученных на обеих лазерных установках. Показано, что порог абляции для обоих лазеров примерно одинаков. Представлена теория, которая объясняет слабый рост абляционной массы с ростом поверхностной плотности энергии лазерного излучения (флюенса) в случае рентгеновских лазеров как результат перехода от откольной абляции вблизи абляционного порога к испарительной абляции при больших значениях флюенса.
Ключевые слова: лазерная абляция диэлектриков, ультракороткие рентгеновские лазерные импульсы, прочность вещества в лазерных экспериментах.
Коды OCIS: 320.5390, 320.7130, 140.7240, 140.3330
УДК 535.21, 535.31, 535.34, 539.42, 539.61
Поступила в редакцию 28.01.2011
ЛИТЕРАТУРА
1. Faenov A.Ya., Inogamov N.A., Zhakhovskii V.V., Khokhlov V.A., Nishihara K., Kato Y., Tanaka M., Pikuz T.A., Kishimoto M., Ishino M., Nishikino M., Nakamura T., Fukuda Y., Bulanov S.V., Kawachi T. Low-threshold ablation of dielectrics irradiated by picosecond soft x-ray laser pulses // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94. Р. 231107.
2. Inogamov N.A., Faenov A.Ya., Khokhlov V.A., Zhakhovskii V.V., Petrov Yu.V., Skobelev I.Yu., Nishihara K., Kato Y., Tanaka M., Pikuz T., Kishimoto M., Ishino M., Nishikino M., Fukuda Y., Bulanov S.V., Kawachi T., Anisimov S.I., Fortov V.E. Spallative ablation of metals and dielectrics // Plasma Phys. 2009. V. 49. № 7–8. Р. 455–466.
3. Nishikino M., Hasegawa N., Kawachi T., Yamatani H., Sukegawa K., Nagashima K. Characterization of a high-brillance soft x-ray laser at 13,9 nm by use of an oscillator-amplifier configuration // Appl. Opt. 2008. V. 47. № 8. Р. 1129–1134.
4. Ochi Y., Hasegawa N., Kawachi T., Nagashima K. Development of a chirped pulse amplification laser with zigzag slab {Nd:glass} amplifiers dedicated to x-ray laser research // Appl. Opt. 2007. V. 46. № 9. Р. 1500–1506.
5. Inagaki T., Imoue S., Ishi M., Kim Y., Kimura H., Kitamura M., Kobayashi T., Maesaka H., Masuda T., Matsui S., Matsushita T., Marechal X., Nagasono M., Ohashi H., Ohata T., Ohshima T., Onoe K., Shirasawa K., Takagi T., Takahashi S., Takeuchi M., Tamasaku K., Tanaka R., Tanaka Y., Tanikawa T., Togashi T., Wu S., Yamashita A., Yanagida K., Zhang C., Kitamura H., Ishikawa T. A compact free-electron laser for generating coherent radiation in the extreme ultraviolet region // Nature Photonics. 2008. V. 2. № 9. Р. 555–559.
6. Shintake T., Tanaka H., Hara T., Tanaka T., Togawa K., Yabashi M., Otake Y., Asano Y., Fukui T., Hasegawa T., Higashiya A., Hosoda N., Inagaki T., Inoue S., Kim Y., Kitamura M., Kumagai N., Maesaka H., Matsui S., Nagasono M., Ohshima T., Sakurai T., Tamasaku K., Tanaka Y., Tanikawa T., Togashi T., Wu S., Kitamura H., Ishikawa T., Asaka T., Bizen T., Goto S., Hirono T., Ishii M., Kimura H., Kobayashi T., Masuda T., Matsushita T., Marechal X., Ohashi H., Ohata T., Shirasawa K., Takagi T., Takahashi S., Takeuchi M., Tanaka R., Yamashita A., Yanagida K., Zhang C. Stable operation of a self-amplified spontaneous-emission free-electron laser in the extremely ultraviolet region // Physical Review Special Topics – Accelerators and Beams. 2009. V. 12. № 7. Р. 070701 (12).
7. Kato M., Saito N., Tanaka T., Morishita Y., Kimura H., Ohashi H., Nagasono M., Yabashi M., Tono K., Togashi T., Higashiya A., Ishikawa T. Pulse energy of the extreme-ultraviolet free-electron laser at {SPring-8} determined using a cryogenic radiometer // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2009. V. 612. № 1. Р. 209–211.
8. Baldacchini G., Bollanti S., Bonfigli F., Lazzaro P.Di.,. Faenov A.Ya, Flora F., Marolo T., Montereali R.M., Murra D., Nichelatti E., Pikuz T., Reale A., Reale L., Ritucci A., Tomassetti G. Point defects in lithium fluoride by EUV and soft X-rays exposure for X-ray microscopy and optical applications // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2004. V. 10. № 6. Р. 1435–1445.
9. Baldacchini G., Bollanti S., Bonfigli F., Flora F., Lazzaro P. Di., Lai A., Marolo T., Montereali R.M., Murra D., Faenov A., Pikuz T., Nichelatti E., Tomassetti G., Reale A., Reale L., Ritucci A., Limongi T., Palladino L., Francucci M., Martellucci S., Petrocelli G. Soft x-ray submicron imaging detector based on point defects in LiF // Rev. Sci. Instrum. 2005. V. 76. № 11. Р. 113104 (12 р.)
10. Tomassetti G., Ritucci A., Reale A., Palladino L., Reale L., Arrizza L., Baldacchini G., Bonfigli F., Flora F., Mezi L., Montereali R.M., Kukhlevsky S.V., Faenov A., Pikuz T., Kaiser J. High-resolution imaging of a soft-X-ray laser beam by color centers excitation in lithium fluoride crystals // EPL. 2003. V. 63. № 5. P. 681–686.
11. Faenov A.Ya., Kato Y., Tanaka M., Pikuz T.A., Kishimoto M., Ishino M., Nishikino M., Fukuda Y., Bulanov S.V., Kawachi T. Submicrometer-resolution in situ imaging of the focus pattern of a soft x-ray laser by color center formation in LiF crystal // Opt. Lett. 2009. V. 34. № 7. Р. 941–943. * * * * *
12. Fukuda Y., Faenov A.Ya., Pikuz T., Kando M., Kotaki H., Daito I., Ma J., Chen L.M., Homma T., Kawase K., Kameshima T., Kawachi T., Daido H., Kimura T., Tajima T., Kato Y., Bulanov S.V. Soft X-ray source for nanostructure imaging using femtosecond-laser-irradiated clusters // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. № 12. Р. 121110 (3 р.).
13. Ochi Y., Kawachi T., Hasegawa N., Nishikino M., Ohba T., Tanaka M., Kishimoto M., Kaihori T., Nagashima K., Sugiyama A. Demonstration of submicrojoule, spatially coherent soft-x-ray laser pumped by 0,1 hertz, 10 joule, picosecond laser // Japanese Journal of Applied Physics. 2009. V. 48. № 12. Р. 120212 (3 р.).
14. Handbook of Optical Constants of Solids / Ed. By Palik E.D.: Academic Press, New York, 1998. 999 p.
15. Inogamov N.A., Zhakhovskii V.V., Ashitkov S.I., Khokhlov V.A., Petrov Yu.V., Komarov P.S., Agranat M.B., Anisimov S.I., Nishihara K. Two-temperature relaxation and melting after absorption of femtosecond laser pulse // Applied Surface Science. 2009. V. 255. № 24. Р. 9712–9716.
16. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 1976. 584 с.
17. http://teos.ficp.ac.ru/rusbank/.
18. Bushman A.V., Kanel G.I., Ni A.L., Fortov V.E. Intense dynamic loading of condensed matter. Washington: Taylor & Francis, 1993. 287 p.
19. Rose J.H., Smith J.R., Guinea F., Ferrante J. Universal features of the equation of state of metals // Phys. Rev. В. 1984. V. 29. № 6. P. 2963–2969.
20. Zhakhovskii V.V., Inogamov N.A., Petrov Yu.V., Ashitkov S.I., Nishihara K. Molecular dynamics simulation of femtosecond ablation and spallation with different interatomic potentials // Applied Surface Science. 2009. V. 255. Р. 9592–9596.
21. Sobelman I.I., Vainshtein L.A., Yukov E.A. Excitation of Atoms and Broadening of Spectral Lines // Springer Series on Atoms and Plasma, Springer. 2007. 309 р.
22. Petrov Yu.V. Energy exchange between the lattice and electrons in a metal under femtosecond laser irradiation // Laser and Particle Beams. 2005.V. 23. № 3. Р. 283–289.
23. Lin Z., Zhigilei L.V., Celli V. Electron-phonon coupling and electron heat capacity of metals under conditions of strong electron-phonon nonequilibrium // Phys. Rev. В. 2008. V. 77. № 7. Р. 075133 (17 р.).
24. www.faculty.virginia.edu/CompMat/electron-phonon-coupling/.
25. Allen P.B. Theory of thermal relaxation of electrons in metals // Phys. Rev. Lett. 1987. V. 59. № 13. Р. 1460– 1463.
26. Wang X.Y., Riffe D.M., Lee Y.S., Downer M.C. Time-resolved electron-temperature measurement in a highly excited gold target using femtosecond thermionic emission // Phys. Rev. 1994. V. 50. № 11. Р. 8016–8019.
27. Агранат М.Б., Анисимов С.И., Ашитков С.И., Жаковский В.В., Иногамов Н.А., Комаров П.С., Овчинников А.В., Фортов В.Е., Хохлов В.А., Шепелев В.В. Поверхностные свойства расплава алюминия в условиях экстремально высоких темпов растяжения при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 91. В. 9. С. 517–523.
28. Иногамов Н.А., Петров Ю.В. Теплопроводность металлов с горячими электронами // ЖЭТФ. 2010. Т. 137. В. 3. С. 505–529. 15
Полный текст
